焙燒溫度和鋁硅比對稀土尾礦陶粒性能的影響

徐 晶， 嚴義云，嚴 群，焦向科,，羅仙平

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2. 江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；3. 江西理工大學稀土學院，江西 贛州 341000；4. 江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000)

焙燒溫度和鋁硅比對稀土尾礦陶粒性能的影響

徐 晶1， 嚴義云1，嚴 群2，焦向科1,4，羅仙平3,4

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2. 江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；3. 江西理工大學稀土學院，江西 贛州 341000；4. 江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000)

為實現(xiàn)稀土礦冶固體廢物的高效再利用，本研究以稀土尾礦為主要原料制備陶粒。在用氧化鋁作為鋁調整劑，用石英粉作為硅調整劑的條件下，研究焙燒溫度和鋁硅比對陶粒性能的影響，并通過SEM及XRD對陶粒樣品的微觀結構進行表征。結果表明：焙燒溫度和鋁硅比都對陶粒結構和性能都有較大影響，升高溫度，陶粒的吸水率和氣孔率下降，密度和壓碎強度升高；而提高鋁硅比，陶粒的吸水率和氣孔率先降低后升高，而密度和壓碎強度先升高后降低，所以可根據(jù)不同要求，調節(jié)焙燒溫度和鋁硅比改變陶粒的性能。

稀土尾礦；陶粒；焙燒溫度；鋁硅比

0 引 言

江西贛南地區(qū)稀土資源豐富，提取稀土后的尾礦堆積如山，給生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[1]。由于稀土礦中的稀土品位較低，故早期生產1噸稀土精礦一般會產生1500-3000 噸尾礦并需要30噸左右氯化鈉。因此而產生的大量含氯化鈉的尾礦造成土壤鹽化，嚴重破壞植被和山體。后來提出的硫酸銨提取稀土的工藝，實現(xiàn)了低濃度溶液淋洗，雖然尾礦中殘留的硫酸銨無毒，避免了浸取劑對土壤的侵害，但是大量使用硫酸銨等溶液淋洗，使產生的尾礦理化性質遭到一定程度破壞，造成水土流失和環(huán)境惡化。因此稀土尾礦的處理問題一直制約著稀土行業(yè)的發(fā)展。

從物質不滅定律和資源利用角度來看，世界上本不存在所謂的“廢棄物”，所有的物質都可以被利用，參加到下一個物質循環(huán)之中去。如果依靠先進的工藝技術，通過對稀土尾礦進行資源化利用的手段將其轉化為具有一定附加值的產品，那么不僅可以實現(xiàn)固體廢物資源化、減量化的目的，而且可以帶來巨大的經濟效益和社會效益，是礦山企業(yè)走可持續(xù)發(fā)展道路的方向所在[2-7]。

陶粒是近幾年我國發(fā)展最快的新型生態(tài)環(huán)境材料之一［8-14］。輕質性是陶粒許多優(yōu)良性能中最重要的一點，這是它能夠取代重質砂石作為人造輕骨料使用的主要原因。隨著我國經濟和工業(yè)的快速發(fā)展，人們對節(jié)能、環(huán)保的要求越來越高，迫切需要這種功能獨特的生態(tài)環(huán)境材料。傳統(tǒng)陶粒一般以粘土和頁巖焙燒而成。這不僅需要大量開采優(yōu)質粘土和頁巖礦山，破壞耕地和自然環(huán)境，不符合節(jié)能和環(huán)保的原則。因此利用固體廢棄物制備陶粒必然是大勢所趨。本研究以贛南地區(qū)的典型離子型稀土尾礦作為主要原料(基質)，對其進行預處理后，采取一定的工藝手段制備陶粒，研究焙燒溫度及鋁硅比對其性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

(1)體質材料：稀土尾礦，取自江西龍南足洞礦區(qū)，為離子型稀土堆浸尾礦，其粒級分析結果見表1，主要化學成分分析結果見表2，XRD圖譜見圖1。由表1可知，該稀土尾礦中0.074 mm以下的顆粒僅占49.05%，因此需要對其進行球磨預處理，以提高其中Si、Al的活性；表2顯示該稀土尾礦中SiO2、Al2O3含量較高，可為生球提供充足的硅、鋁；圖1顯示稀土尾礦中主要含有石英、高嶺石等。

(2)鋁調整劑：氧化鋁粉，化學純，天津市大茂化學試劑廠生產。

(3)硅調整劑：石英粉，贛州石英砂公司生產。(4)水為實驗室自來水。

1.2 陶粒的制備

首先對原狀稀土尾礦進行球磨預處理，料球比為1∶2，球磨時間為20 min；再將球磨預處理后的稀土尾礦與鋁硅調整劑、水混合，混合料倒入圓盤造粒機中造粒成球，制成直徑約5-10 mm的球狀顆粒，生料陶粒含水率約為20%；對生料陶粒在100℃下干燥預處理24 h后，置于SX2-10-13型箱式電阻爐中燒制，以5 ℃/min的升溫速率，燒至一定的溫度后在爐中保溫10 min，焙燒后的陶粒置于爐中自然冷卻即得最終陶粒產品。

表1 稀土尾礦粒級分析結果Tab.1 Size fraction of the rare earth tailings

圖1 稀土尾礦的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the rare earth tailings

表2 稀土尾礦的主要化學成分Tab.2 The main chemical components of the rare earth tailings

1.3 陶粒宏觀性能分析及微觀結構表征

采用煮沸法[15]測定稀土尾礦陶粒的氣孔率、吸水率和體積密度；壓碎強度利用SEK型數(shù)顯示抗壓強度試驗機測得；借助D/MAX-Ⅲ型X射線衍射儀，對陶粒粉碎后100目以下粉料進行檢測，并與稀土尾礦原料進行對比；借助JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡對陶粒的斷面形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 焙燒溫度對陶粒宏觀性能的影響

將制得的陶粒在100 ℃下干燥預處理24 h，并將生陶粒分別在1000 ℃、1020 ℃、1040 ℃、1060 ℃和1080 ℃五個溫度下焙燒10 min，焙燒后陶粒置于爐內自然冷卻。對不同溫度下陶粒的各項宏觀物理性能進行測試，結果如圖2、圖3所示。

圖2 焙燒溫度對陶粒吸水率、氣孔率和體積密度的影響Fig.2 Effect of calcination temperature on water absorption, porosity and bulk density of the ceramsite

圖3 焙燒溫度對陶粒壓碎強度的影響Fig.3 Effect of calcination temperature on crushing strength of the ceramsite

結合圖2和圖3可以看出，從整體上看，吸水率和氣孔率的變化趨勢一致。在1020-1080 ℃溫度區(qū)間隨著焙燒溫度的增加，氣孔率呈迅速下降趨勢，而壓碎強度卻逐漸增大。這是因為隨著焙燒溫度的提高，顆粒間接觸面積擴大，使結合更為緊密，致密化程度提高。

圖4為試樣在燒成溫度為1080 ℃下的SEM照片。由陶粒的斷面形貌可以看出，其內部結構較為均勻、緊密，基本呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，氣孔分布平均，呈三維貫穿，并且無明顯的大氣孔，晶粒間由玻璃相連接。

圖5所示為稀土尾礦與陶粒的XRD對比圖譜。由圖5可見，稀土尾礦的晶體衍射峰更為尖銳，后者彌散峰較多，表明通過將稀土尾礦與其它礦物輔助原料混合并高溫焙燒后，有部分晶體發(fā)生轉變生成了非晶體；此外，陶粒中新生成的莫來石晶相可有效增強對陶粒的強度起支撐作用。

圖4 燒成溫度為1080 ℃時陶粒樣品的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of the ceramsite sample calcined at 1080 ℃

圖5 稀土尾礦與陶粒的XRD對比圖譜（1. 稀土尾礦；2. 1080 ℃下燒制所得陶粒）Fig.5 XRD patterns of the rare earth tailings and the ceramsite (1. the rare earth tailings; 2. the ceramsite calcined at 1080 ℃)

2.2 鋁硅比對陶粒性能的影響

取球磨預處理后的稀土尾礦與鋁粉、石英粉混合，分別按照混和樣中鋁硅比為0.66、0.58、0.5和0.30進行配料(其中鋁硅比為0.5時對應的是單純稀土尾礦)，通過圓盤造粒機造粒成球。將制得的陶粒在100 ℃干燥預處理24 h，并將生陶粒在1080 ℃在進行焙燒10 min，焙燒結束后陶粒試樣置于爐中自然冷卻。測試不同鋁硅比下陶粒的各項宏觀性能，結果如圖6、圖7所示。

圖6 鋁硅比對陶粒吸水率、氣孔率和體積密度的影響Fig.6 Effect of Al/Si ratio on water absorption, porosity and bulk density of the ceramsite

圖7 鋁硅比對陶粒壓碎強度的影響Fig.7 Effect of Al/Si ratio on crushing strength of the ceramsite

從圖6-圖7可以看出，隨著鋁硅比的增加，陶粒的吸水率先降低后增加，體積密度起初無明顯變化，但最后有所降低，氣孔率先降低后增加，壓碎強度先增加后降低。這是因為增加鋁含量有利于提高陶粒的強度，但是鋁含量越高，焙燒所需的溫度越大，在達不到所需溫度的條件下，陶粒中的鋁大部分未參與反應，導致液相過少，顆粒之間粘結松散，壓碎強度降低，氣孔率和吸水率增加。圖8為試樣在鋁硅比為0.58時的SEM照片。由圖8可看出陶粒內部孔隙較大，形狀極其不規(guī)則，成三維貫通，大部分氣孔是由未反應的稀土尾礦顆粒堆積形成的。玻璃體起著粘結顆粒的作用，而晶體能起支撐的作用，而新生成的玻璃體及晶體均較少，故該條件下所制陶粒強度較低，這與圖7中的分析結果一致。

圖8 鋁硅比為0.58時陶粒試樣的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM image of the ceramsite sample on condition that the Al/Si ratio was 0.58

3 結 論

(1)本實驗以稀土尾礦為主要原料，研究了焙燒溫度及鋁硅比對陶粒性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，陶粒吸水率和氣孔率隨焙燒溫度的升高而減小，而體積密度隨焙燒溫度的升高而增加；而提高鋁硅比，陶粒的吸水率和氣孔率先降低后升高，而密度和壓碎強度先升高后降低。故可通過調節(jié)焙燒溫度和鋁硅比來調節(jié)陶粒的性能，使之滿足不同的需求。

(2)由XRD分析可知，稀土尾礦主要含石英、長石及高嶺石，焙燒后，有莫來石生產，且出現(xiàn)彌散峰，說明同時生成了玻璃相。由SEM分析可知，陶粒內部孔隙發(fā)達，氣孔較大，三維貫通，且發(fā)現(xiàn)新生成的玻璃體和晶相，進一步驗證了前面的分析和實驗。

(3)本實驗證明用稀土尾礦制備陶粒具備可行性，從而為稀土尾礦的綜合利用提供有效途徑。

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Effect of Calcination Temperature and Al/Si Ratio on Performance of the Rare Earth Tailings Based Ceramsite

XU Jing1, YAN Yiyun1, YAN Qun2, JIAO Xiangke1,4, LUO Xianping3,4
(1. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 2. School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 3. School of Rare Earth, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 4. Jiangxi Key Laboratory of Mining & Metallurgy Environmental Pollution Control, Ganzhou 341000, Jiangxi, China)

To achieve efficient recycling of rare earth mining solid waste, rare earth tailings were used as the main source material for preparing ceramsite. On condition that Al2O3acted as an aluminum adjusting agent and quartz powder acted as a silicon adjusting agent, the effects of the calcination temperature and Al/Si ratio on the performance of ceramsite were investigated. The microstructure of the ceramsite was characterized by SEM and XRD analysis. Results indicated that tailoring the sintering temperature and the silica alumina ratio can both affect the structure and performance of the ceramsite; As the sintering temperature increases, the water absorption and porosity of the ceramsite are decreased, but the density and compression strength of the ceramsite are increased; as the Al/Si ratio increases, the water absorption and porosity of the ceramsite are frstly increased and then decreased, but the density and compression strength of the ceramsite are frstly decreased and then increased. Therefore, the performance of the ceramsite can be adjusted by changing the sintering temperature and Al/Si ratio.

rare earth tailings; ceramsite; calcination temperature; Al/Si ratio

TQ174.75

A

1000-2278(2014)06-0598-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.007

2014-06-11。

2014-06-30。

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAC11B07)；江西理工大學科研基金項目重點課題(編號：NSFJ2014-K01)；江西省教育廳項目(編號：GJJ14426)；江西省科技廳青年科學基金項目(編號：20142BAB216008)；“贛鄱英才555工程”領軍人才培養(yǎng)計劃項目。

羅仙平(1973-)，男，博士，教授。

Received date: 2014-06-11. Revised date: 2014-06-30.

Correspondent author:LUO Xianping(1973-), male, Doc., Professor.

E-mail:lxp9491@163.com